華東理工大學化學反應工程階段輔導

《化學反應工程》階段輔導（1）工業(yè)反應過程的優(yōu)化研究對象—工業(yè)反應過程、工業(yè)反應器研究目的—優(yōu)化優(yōu)化—在一定范圍內(nèi)（約束條件）選擇一組合適的變量，使系統(tǒng)對評價標準（優(yōu)化指標）達到最優(yōu)。緒論技術(shù)指標選擇性—原料消耗，成本能耗—操作費用反應速率—反應器大小,設備投資設計型優(yōu)化類型操作型轉(zhuǎn)化率xA轉(zhuǎn)化率x恒容時某一反應物轉(zhuǎn)化的百分率——總轉(zhuǎn)化率x

選擇性

Selectivity選擇性β（S）aAsS（副產(chǎn)物）pP（主產(chǎn)物）一般地瞬時選擇性

收率

Yield收率單耗＝１/收率molＰ／molＡkgＰ/kgＡ決策變量操作方式—連續(xù)性、加料方式工藝條件—T、C、t、Sv、ug等結(jié)構(gòu)變量—結(jié)構(gòu)、型式、尺寸化學反應工程的研究內(nèi)容：反應→動力學反應+流體流動→返混反應+傳質(zhì)→效率因子反應+傳熱→熱穩(wěn)定性、靈敏度化學反應工程在過程開發(fā)中的作用反應器的工程放大過程開發(fā)要解決三個問題反應器選型優(yōu)惠工藝條件過程開發(fā)方法逐級經(jīng)驗放大方法數(shù)學模型方法化學反應速率的工程表示反應量：molkmol反應場所（反應區(qū)）：VR，VCAT.，kgCAT

，m2表面等

（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等 “-”消失速率-rA “+”生成速率rp化學反應動力學對于多組分反應一般C、T影響是相互獨立的（經(jīng)驗）

—反應速率的溫度效應

—反應速率的濃度效應反應動力學表達式反應速率與溫度、濃度的關(guān)系—動力學方程例如反應動力學反應速率常數(shù)（溫度項）包含反應級數(shù)的濃度項k的因次與n有關(guān)：n=1,k=[時間]-1溫度項式中 k——反應速率常數(shù)

k0——頻率因子

T——溫度K E——反應活化能J/mol，cal/mol R——氣體普適常數(shù)—阿累尼烏斯(Arrhenius)公式影響化學反應速率的溫度效應⑴E的本質(zhì)—反應速率對溫度變化的敏感程度理論思維：E的工程意義—反應速率對溫度變化的敏感程度T不變…E越大，ΔT小E不變…T越大，ΔT大速率常數(shù)提高一倍所需提高的溫度直觀理解：⑵與反應熱ΔH的關(guān)系⑶活化能的數(shù)量級

40~200kJ/mol如果E<40kJ/mol，或<10kcal/mol，可能有傳質(zhì)影響擴散系數(shù)擴散活化能ED=（1~3）kcal/mol活化能的計算A.理論上已知兩點溫度下反應速率，可估算EB.圖解法——根據(jù)斜率求Elnk1/TC.線性回歸——最小二乘法求E影響化學反應速率的濃度效應反應速率的濃度效應表達形式：⑴冪函數(shù)型 ⑵雙曲線型 ⑶經(jīng)驗型常用氣固相催化反應冪函數(shù)型優(yōu)點：適應性強，數(shù)據(jù)整理、運算方便 是最常用的濃度效應的函數(shù)形式對反應⑴反應級數(shù)（動力學）不同于反應分子數(shù)（化學計量學）基元反應兩者等同反應級數(shù)由實驗測定，通常0、1、2級，或非整數(shù)級總級數(shù)通常反應速率對濃度變化的敏感程度⑵反應級數(shù)工程意義放大n倍級數(shù)越大，敏感理想化學反應器定義：—排除工程因素影響的反應器

—反應結(jié)果由動力學決定分類：*間歇攪拌釜式反應器（BR） *管式流動反應器（PFR）理想間歇反應器與典型化學反應的基本特征反應類型簡單反應A→P可逆反應串聯(lián)反應：A→P→SPS平行反應A理想間歇反應器計算解法：⑴解析解，定量計算 ⑵圖解法，定性判斷恒容時；n級不可逆反應

圖解法恒容時；自催化反應

自催化反應指的是反應產(chǎn)物本身具有催化作用，能加速反應的進行。工業(yè)生產(chǎn)上的發(fā)酵過程是一類典型的自催化反應過程。

特征：⑴反應存在啟動過程—產(chǎn)物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大計算：解析解圖解法自測題特征：平衡一級可逆反應分析一級假定理想間歇反應器中的可逆反應平衡狀態(tài)當ΔHr〉0，可逆吸熱，當ΔHr〈0，可逆放熱，TΔHr〉0ΔHr〈0工業(yè)過程受平衡的限制（熱力學）改變平衡狀態(tài)的措施： ①改變K—吸熱，受材質(zhì)限制；

—放熱，受動力學限制。 ②改變體系濃度——反應、分離組合APAP可逆反應速率表達式積分式：t（k1+k2）濃度效應與溫度效應濃度效應：T不變，K不變，溫度效應：T↑可逆吸熱，可逆放熱，動力學因素熱力學因素需要對吸熱、放熱兩種情況分別討論SO2氧化反應

—典型的可逆放熱反應T低時，動力學因素占主導地位T高時，熱力學因素占主導地位必然存在最優(yōu)溫度理想間歇反應器中的平行反應k1

k2APS類型：k1

k2A+BPS平行反應CA、CP、CS設t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等當n1=n2時，當n1=n2=1時，有：瞬時選擇性或：—存在溫度效應與濃度效應...平均選擇性

與的關(guān)系圖解法：CafCA0CA平均選擇性—對反應前后的計算=平行反應選擇性的溫度效應不變理論分析E的本質(zhì)—反應速率對溫度變化的敏感程度結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應。平行反應選擇性的濃度效應理論分析n的本質(zhì)—表達了反應速率對濃度變化的敏感程度。等溫下與無關(guān)結(jié)論：濃度升高有利于級數(shù)高的反應。理想間歇反應器中的串連反應設各步反應均為一級對A：設t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0則t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等

（與平行反應相同）

存在最優(yōu)，對應最大（與平行反應不同）特征：串連反應的選擇性和收率濃度效應：任何使串連反應的反應物濃度下降、產(chǎn)物 濃度上升的因素，對串連反應總是不利的β的特征：⑴反應初期，β最大=1 ⑵t↑→CA↓CP↑→β↓βt1溫度效應結(jié)論：溫度升高有利于活化能高的反應。T最優(yōu)轉(zhuǎn)化率最優(yōu)收率（均為k1，k2的函數(shù)）最優(yōu)反應時間令最優(yōu)反應時間解：最大收率最優(yōu)轉(zhuǎn)化率平推流活塞流反應器理想管式反應器平推流反應器（PFR）流入量＝流出量＋反應量＋累積量對微元作物料衡算：空時（與間歇反應器的反應時間關(guān)系式相同）（如果不計輔助時間，則反應器體積完全一樣）v0—進料的體積流量PFR基本方程：適用等溫、變溫、等容、變?nèi)莸确e分式恒容自催化反應、可逆反應、平行反應、串聯(lián)反應等溫下簡單不可逆反應的計算關(guān)系積分式：可逆反應自催化反應積分式：串聯(lián)反應積分式：平行反應k1

k2APS積分式：按反應動力學積分空速與空時v0—在規(guī)定條件下，單位時間內(nèi)進入反應器的物料體積單位——m3/hr,l/min…規(guī)定條件——標準狀態(tài)，進口狀態(tài)膨脹因子—每消耗1molA時，系統(tǒng)總mol數(shù)的變化對A：對P：>0增大

<0減小=0不變

膨脹因子氣相反應

膨脹率—假